揭秘“用磷高手”白羽扇豆

 
 
揭秘“用磷高手”白羽扇豆  
 

白羽扇豆俯视图     许卫锋供图

磷，是作物生长发育、产量提高不可或缺的营养物质。尽管农民每年都施用大量磷肥，但磷肥的当季利用效率却始终很低，且磷的累积还加重了土壤和环境污染。据统计，磷肥当季利用率一般只有10% -25%。

如何提高作物对土壤磷的再次利用能力，一直是农业生产中亟需解决的一大难题。

近日，《自然—通讯》杂志聚焦磷高效利用作物的模式植物白羽扇豆，背靠背发表了两篇文章。一篇来自福建农林大学生命科学学院教授许卫锋团队与中国农业科学院蔬菜花卉研究所研究员程锋团队的合作研究。他们成功组装并解析了白羽扇豆的染色体水平高质量基因组，揭示了白羽扇豆低磷适应的特征与其基因扩张、亚基因组优势关联，对磷高效利用作物的筛选与培育具有重要参考价值。

另一篇来自法国蒙彼利埃大学研究团队，该研究测定了白羽扇豆高质量参考基因组，发现现代白羽扇豆形成了低磷下生长丛生根的性状，因而其在土壤中的扩张能力更强。这将有助于理解白羽扇豆低磷适应性背后的分子机制，并为作物改良以更好的提高养分获取效率提供借鉴。

富磷？缺磷！

事实上，土壤里并不缺磷。已有研究表明，磷在土壤中移动性小，移动时会被土壤吸附，与土壤中的物质发生化学反应而被固定下来。也因此，在长期施用磷肥的情况下，大多数农田土壤中深藏着潜在的巨大“磷库”, 但它却很难为作物生长发育输送营养。

为了应对磷缺失的状况，植物在进化过程中也使出“浑身解数”，从外貌（形态）、生理、光合作用和代谢方式等多种途径上进行调整，以期重新活化土壤磷，获取营养。

其中，白羽扇豆就是成功进化为耐低磷且能高效利用磷的“模范”植物。

论文第一作者和通讯作者许卫锋告诉《中国科学报》，白羽扇豆是耐低磷研究的模式植物，在缺磷条件下会产生大量排根，并分泌质子、有机酸和酸性磷酸酶等，实现土壤中固态磷的高效利用。即使不施用磷肥的情况下，也能正常生长。因此，破解白羽扇豆磷高效利用机制，能为其他物种磷高效利用提供参考。

“相当于植物‘采矿’。”许卫锋形象地解释道，“由于磷肥是不可再生资源，被固定后就像是变成了‘矿石’，白羽扇豆能把它采出来。”

过去的研究积累，让科学家们对白羽扇豆低磷适应的形态和生理因素已有较为充分的了解。他们发现，白羽扇豆之所以能高效利用磷，是因为它自带“神器”，即排根。

“排根是由许多小侧根组成，排根能大量释放有机酸，以活化土壤中难溶性的磷，它是白羽扇豆高效利用磷的关键部位。”许卫锋说。

但促进排根生长的基因是谁？是否还有其它基因或进化方式让白羽扇豆具备了磷高效利用的能力？低磷适应特性的机制是什么？这些问题尚不可知。

许卫锋与从事作物基因组和遗传育种研究的程锋合作，破解白羽扇豆的基因奥秘。

多倍演化显“优势”

两篇研究均首先完成了基因组测序工作，我国研究人员利用三代测序PacBio和Hi-C mapping技术，组装了白羽扇豆栽培种Amiga的染色体水平高质量基因组（558.74 Mb）。

研究发现，白羽扇豆基因组经历了与芸薹属等异源多倍体物种类似的全基因组三倍化事件，即“two-step”多倍化进程，导致亚基因组优势现象。